Antenna bilanciata per VLF a doppia polarizzazione

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Introduzione

Questo articolo nasce come naturale evoluzione dei miei due precedenti, volti alla ricezione delle risonanze di Schumann e delle VLF. Se vi avevano generato un po’ di interesse, ecco un altro stimolo allo studio in arrivo. Nella loro efficace semplicità, le strutture riceventi proposte avevano ovviamente qualche limite quali ad esempio:

• sensibilità ai disturbi di modo comune
• ricezione di segnali solo in polarizzazione verticale

Con riferimento al primo punto indicato, il problema con i monopoli corti è che il sistema di terra che ricrea la parte inferiore del dipolo è abbastanza “indeterminato”. Questo significa che correnti locali indotte dalla rete a 50 o 60 Hz e relative armoniche, potrebbero facilmente accoppiarsi alla struttura ricevente creando evidenti artefatti sui segnali ricevuti.
Una delle possibilità per evitare questo effetto è di usare una dipolo corto come sonda. Viste le basse frequenze in gioco, è possibile evitare l’uso di balun con dispositivi induttivi che limiterebbero la larghezza di banda, impiegando invece un amplificatore differenziale nella cosiddetta configurazione “amplificatore per strumentazione (Instrument Amplifier).”
Vediamo come si possa quindi migliorare la situazione senza complicazioni eccessive

Circuito proposto

Il circuito proposto è illustrato nello schema sottostante:

Il cuore del circuito è l’amplificatore operazionale “instrument grade”, INA155 della nota Burr Brown. Nella sua semplicità racchiude prestazioni elevatissime e costanti, a costi ancora contenuti.
In particolare ha una corrente di bias particolarmente bassa, una elevata escursione delle tensioni in ingresso ed uscita e non ultima una elevata stabilità nei confronti della temperatura. Inoltre il dispositivo esibisce una distorsione armonica particolarmente contenuta ed un CMRR elevato e costante al variare della frequenza.
Al suo interno, questo dispositivo racchiude di fatto quattro amplificatori operazionali di elevate caratteristiche, collegati come riportato in figura:

Guardando la schematizzazione fatta dal data sheet, vale la pena notare due aspetti interessanti:
la regolazione del guadagno avviene per mezzo di una singola resistenza esterna (Rg)
la tensione in uscita è proporzionale alla differenza degli ingressi nonché sommata a un valore di riferimento (Ref)
Il guadagno può quindi essere facilmente definito secondo la seguente tabella:
Guadagno Resistenza
10 aperto
20 30kΩ
30 10kΩ
40 3,3kΩ
50 zero, corto

Per massimizzare la dinamica è quindi opportuno che in assenza di segnale d’ingresso, l’uscita sia mantenuta a metà della tensione di alimentazione, risultato ottenuto applicando pari valore sia al pin “Ref” sia ai due ingressi. Le due resistenze di alto valore R3, R4 servono oltre alla polarizzazione, alla chiusura a massa delle correnti di bias dell’integrato, di fatto determinando l’impedenza d’ingresso del circuito e con questa il taglio alle basse frequenze. Per la loro realizzazione, si possono porre in serie dieci resistori da 10MΩ l’uno. La tensione di polarizzazione sia degli ingressi sia del pin Ref (reference) è erogata dal circuito integrato OPA336 per via della sua elevata stabilità e bassa impedenza d’uscita.

Vediamo ora la “strada” del segnale.
Due captatori, meglio descritti nel seguito, alimentano i due ingressi del circuito. Le coppie R1-C3 e R2-C4 realizzano due filtri passa basso per limitare la banda passante e ridurre le interferenze delle potenti broadcasting in onda lunga. In serie all’uscita, C1 blocca la componente continua e assicura che solo la parte variabile arrivi alla sound blaster a cui l’antenna sarà collegata. L’antenna pensata per un uso temporaneo in “portatile” è alimentata tramite una batteria ricaricabile entrocontenuta. Due scelte interessanti sono rappresentate da una PP3 NiMh oppure una 2 celle (7,4V) LiPo da modellisitica che offre una autonomia lunghissima. Nel caso di installazione fissa, sarà necessario studiare una soluzione che non perturbi il campo e non veicoli disturbi all’interno del circuito.

Costruzione meccanica

Per mantenere molto semplice la costruzione, il prototipo è stato assemblato dentro una scatola stagna per parti elettriche. Come elementi captatori per la polarizzazione verticale sono state impiegate due bacchette di alluminio di diametro 5mm parallele e poste l’una sopra l’altra, lunghe circa 300mm e spaziate 60mm. La spaziatura non è critica e nella scelta occorre tenere presente come al suo aumentare cresca sia la sensibilità al segnale utile ma anche l’effetto del campo statico.
I due elementi sono montati sui fianchi della scatola, tramite due passacavi modello PG7. Questa struttura ha una capacità di accoppiamento al campo di circa 4pF.
Per la polarizzazione orizzontale, dato che in generale i segnali sono più bassi, ho scelto di impiegare due scatole metalliche da tè, spaziate circa 250mm allineate sullo stesso asse orizzontale. Per supportarle e collegarle elettricamente al front end, ho impiegato due tubetti di rame da 8mm saldati al coperchio delle stesse. Questa struttura offre circa 7pF di capacità a tutto vantaggio della sensibilità del sistema.
L’insieme, come visibile in foto, risulta un po’ “scenico” e come mi ha fatto notare un amico, ricorda un’astronave Klingon, ma è sicuramente funzionale e di economica nonché semplice realizzazione con mezzi domestici. Nulla vieta, ovviamente, di fare meglio, molto meglio!
Se si decide, come nel mio caso di avere i due tipi di captatori abbinabili alternativamente ad un singolo canale di ricezione, è importante ricordare come la loro commutazione necessiti di alcune accortezze. La soluzione più istintiva infatti, cioè quella di porre un comune relè a due scambi davanti al front end, a causa delle elevate capacità interelettrodiche finirebbe per ridurre pesantemente le prestazioni del sistema.

Misure e test

Le prime verifiche possibili sono quelle disponibili dalla simulazione del sistema. Mettendo a paragone le due strutture e considerando il guadagno settato al minimo valore si ottengono le risposte seguenti:

Simulazione risposta in frequenza in polarizzazione verticale

Simulazione risposta in frequenza polarizzazione orizzontale

La banda passante a -3dB rimane pressoché costante e compresa fra 30Hz e 120kHz. La polarizzazione orizzontale in virtù della maggiore capacità dei captatori esibisce circa 3dB di maggior guadagno a cui vanno sommati (non modellizzati) i circa 12, dovuti alla maggiore spaziatura dei punti di misura.
Una volta sul campo, l’antenna si dimostra di interessante uso, specie per la possibilità di comparare le due polarizzazioni a la maggiore reiezione dei disturbi di modo comune. Di seguito alcuni spettrogrammi tipici, facilmente ricevuti con questa antenna:

Esempio di ricezione in polarizzazione verticale elaborati con Sonic Visualizer e acquisiti in un prato a poche centinaia di metri dal perimetro del mio paese. Notare i forti segnali delle stazioni di radionavigazione russe del sistema Alpha (sono i segnali “tratteggiati” circa nel mezzo dello spettrogramma). In polarizzazione orizzontale in genere l’ampiezza delle statiche e delle “rtty” (che poi sono modulazioni digitali codificate) si riduce, mentre cresce l’entità dei disturbi legati alla rete a 50 Hz.

Esempio di ricezione in area particolarmente silenziosa sull’appennino piacentino. In rilievo un whistler (nella meta sinistra dell’immagine, elaborazione di Renato, IK1QFK)

I segnali lungo l’asse delle frequenze (in verticale) che sembrano “una telegrafica o un tratteggio” (ma ovviamente non lo sono) sono dovuti a fenomeni propagativi multipath che creano, a fronte di una eccitazione a larga banda della cavità Terra-Ionosfera, una risposta “ondulata” della propagazione.

In questa immagine registrata con Spectrum Lab, vi sono due fenomeni interessanti. Il primo è il “buco” di segnale da poche centinaia di Hz a circa 5 kHz: questo è un naturale effetto propagativo in assenza di fenomeni elettrici nelle vicinanze. Il secondo aspetto sono i “flash” di segnale a frequenze inferiori ai 100 Hz: non si tratta di segnali naturali, ma dell’effetto del vento che faceva oscillare la struttura ricevente. L’antenna è veramente molto piccola per quelle frequenze ed ogni instabilità, anche meccanica, si tramuta in artefatti sul segnale prodotto alla sua uscita.

Alcuni forti segnali (elaborazione con HDSDR) che a prima vista potrebbero apparire disturbi generati da qualche “diavoleria elettronica” sono invece trasmissioni umane, sovente di carattere militare

Sviluppi suggeriti

L’antenna così descritta è già in grado di offrire ottime opportunità, permettendo ricezioni di buon livello… ma perché accontentarsi? Pensiamo ad esempio di concentrarci solo sulla polarizzazione orizzontale e mettere due strutture riceventi in posizione ortogonale fra loro. Inviando i loro segnali contemporaneamente ad un sistema di acquisizione ed analisi quale ad esempio un PC con SpectrumLab, è possibile attivare le funzioni di “direction finding”, che ci permettono di identificare almeno indicativamente la provenienza dei segnali… Può questo avere un senso? Perché non provare a comparare invece le acquisizioni in parallelo nelle due polarizzazioni e capire cosa le differenza? L’antenna per poter funzionare al meglio deve offrire una elevatissima reiezione di modo comune: come la si può garantire o migliorare rispetto a quanto presentato? L’INA155 impiegato è un ottimo compromesso fra prestazioni, costo e disponibilità: perché però non provare soluzioni diverse, magari accedendo a dispositivi di maggior pregio? Questi sono solo alcuni spunti di riflessione per una piacevole sperimentazione senza confini.

Ringraziamenti

Ora e come sempre mi corre il piacevole obbligo di ringraziare chi mi ha aiutato, supportato e costruttivamente criticato nello sviluppo di questo progetto. In particolare ed in puro ordine alfabetico voglio ricordare Franco IU3ADL e Renato IK1QFK.

Bibliografia

Pierluigi Poggi, Antenne Attive, Sandit 2011
Renato Romero, Radionatura, Sandit 2008
www.vlf.it/cr/differential_ant.htm